Nutzungspotenziale geothermischer EnergieVortrag anlässlich der Eröffnung des Zentrums für Geothermie und Zukunftsenergien

an der Fachhochschule Bochum, 12. 3. 2004

Christoph Clauser Angewandte Geophysik, RWTH Aachen

(http://www.geophysik.rwth-aachen.de)

Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands

Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme

und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000

Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand

technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland

Ausblick und Zusammenfassung

Inhalt

7300 °C

0 1000 2000 3000 4000 5000

T (K)

6000

5000

4000

3000

2000

1000

De

pth

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m)

1000

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5000

6000

Ra

diu

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m)

0 1000 2000 3000 4000 5000

T (°C)

L: Lithosphere (0-80 km)A: Asthenosphere (80-220 km)TZ: Transition Zone (220-670 km)D'': D'' layer (2741-2891 km)400 km: Phase transition olivine-spinel670 km: Phase transition spinel-perovskite

D''

Inner

Core

Outer

Core

Lower

Mantle

TZ

A

Solidus

L

6371

5150

2891

670

80

Temperature

Upper

Mantle

8000 °C

220

Temperaturprofil der Erde

Temperatur im Untergrund Deutschlands

Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands

Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme

und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000

Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand

technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland

Ausblick und Zusammenfassung

Inhalt

Erdwärme und ihre Nutzungsmöglichkeiten

Geothermische Energie: „In Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde“ (VDI Richtlinie 4640, Blatt 1, 2000)

Systeme: (1) natürliche; (2) stimulierte (Frac- bzw. HDR-Technologie) Gewinnungsarten:

1. Wärmeabbau über Wärmeleitung (ohne stoffliche Förderung)mit Wärmetauschersystemen:1.nahe der Oberfläche2.bis in große Tiefe

2. Wärmeabbau durch stoffliche Förderung von Wasser oder Dampf1. Heißdampflagerstätten (T>120 °C) 2. Warme Tiefenwässer (T<120 °C)

Erdwärme als Bodenschatz

Erdwärme: Bodenschatz nach Bundesbergrecht Konzessionen, Genehmigungen

mögliche Nutzungs- bzw. Interessenkonflikte: 1. Wärmeabbau durch stoffliche Förderung:

i. Gewinnung anderer Bodenschätze (v. a. Kohlenwasserstoffe)ii. Grundwassergewinnungiii. Grundwasserschutz (Salzwasseraufstieg, hydraul. Kurzschlüsse)iv. Luftreinhaltung

2. Wärmeabbau über WärmeleitungGrundwasserschutz (Austritt von Wärmetauscherflüssigkeit)

3. stimulierte Systemei. wie unter Punkt 1ii. Erdbebensicherheit

Vorteile der Erdwärmenutzung

Alle Anlagen 1. sehr geringer CO2-Ausstoß

2. Nahezu unerschöpflicher Vorrat3. heimische Ressource Kosten weitgehend unabhängig von

Schwankung der Rohstoffpreise und Währungen Dezentrale Anlagen

1. Bereits heute fast kostenneutral2. Technisch erprobt und zuverlässig

Stimulierte SystemeStromerzeugung durch Schaffung künstlicher Dampflagerstätten

ermöglicht Stromerzeugung in Ländern ohne natürliche Dampflagerstätten

Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands

Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme

und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000

Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand

technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland

Ausblick und Zusammenfassung

Inhalt

Joule (J): Energie, Wärmemenge Watt (W): Leistung, Wärmestrom

1 kW h = 3,6 MJ 278 kW h = 1,0 GJ

1000 GWh = 3,6 TJ

Abkürzungen und Präfixe:Kilo k 103 TausendMega M 106 MillionGiga G 109 MilliardeTera T 1012 BillionPeta P 1015 BilliardeExa E 1018 Trillion

Einheiten für Energie und Leistung

weltweite geothermische Stromerzeugungnach: H

uttrer, 2000

Installierte Erdwärme und Nutzungsgrad

32%5%

22%

39%

2%

Endenergieverbrauch in Deutschland 1999 (Total: 9310 PJ)

32%5%

22%

39%

2%Beleuchtung

Prozesswärme

(Qu

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n: B

MW

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Endenergieverbrauch

32%5%

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39%

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38%

13%

11%22%

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MW

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00)

Primärenergieverbrauch in Deutschland 2001 (Total: 14501 PJ)

Kernenergie

(Qu

elle

n: B

MW

i, 2

00

2)

Primärenergieverbrauch

Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands

Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme

und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000

Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand

technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland

Ausblick und Zusammenfassung

Inhalt

Erdregister Erdwärmesonde

Techniken zum konduktiven Wärmeabbau

Energiepfahl (Quelle: Bilfinger & Berger, 2002) Erdwärmesonde (Quelle: Stadtwerke Prenzlau, 2002)

Techniken zum konduktiven Wärmeabbau

z. B. Wärmeleitfähigkeit: Werte von ca. 1 – 6 W m-1 K-1

korreliert aber sehr ungenau mit Gesteinsart!

kostenoptimierte Auslegung von Erdwärmesonden erfordert daher Erstellung einer statistisch fundierten Datenbank, in der sich die Variabilität innerhalb jeder Gesteinsart in einer entsprechenden Standardabweichung um den Mittelwert ausdrückt.

das Fehlen einer solchen Datenbasis behindert moderne Auslegungs-rechnungen für Erdwärmesonden,wie sie längst Standard bei anderen Ingenieurleistungen sind. Dies ist ein massives Investitionshemmnis, insbesondere für tiefe Erdwärmesonden. Aber: niemand scheint willens diese Messungen zu finanzieren...!

Bedeutung der Gesteinseigenschaften

...ermöglicht viele, genaue Messungen in kurzer Zeit...!

Berührungslose Wärmeleitfähigkeitsmessu

ng

an großen Gesteinsvolumina

Moderne Messtechnik

Stimulation zur Schaffung eines Hot-Dry-Rock Systems bzw. Verbesserung der hydraulischen

Eigenschaften

Soultz-sous-Forêts

BGR, 2001

Chemische Bohrlochstimulation ....durch Verpressen kalter Sole

Simulation einer Bohrlochstimulation eines Bereichs von 5 m um die Bohrung (rote Linie, links), dessen Porenraum mit Anhydrit ausgefüllt ist.Porosität nach 1 Tag Porosität nach 13

Tagen

Bohrlochstimulation ....Film des zeitlichen Verlaufs zwischen 3767-3264 m Tiefe

Erdwärmenutzung in Deutschland

Installierte Leistung: 397 MWt , hiervon:

(1) 55 MWt in 27 zentralen Anlagen

(2) 342 MWt in mehr als 18000 dezentralen, kleinen Anlagen

existierendes technisches Potenzial von 2125 PJ a-1, entspricht 22 % des jährlichen deutschen Endenergiever-brauchs bzw. 37 % des Wärmebedarfs

Völlige Umsetzung dieses Potenzials würde Einsparung von ca. 100 Mt CO2 bedeuten, 10 % des deutschen Ausstoßes von 1998

Existierende Anlagen zur Erdwärmenutzung

Schellschm

idt et al., 2000

Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands

Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme

und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000

Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand

technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland

Ausblick und Zusammenfassung

Inhalt

Potentiale zur Nutzung regenerativer Energien und Kosten einer CO2-Reduktion

nach: BM

Wi-D

okumentation 361, 1994

Zusammenfassung und Ausblick

60 % des deutschen Endenergiebedarfs ist in Form von WärmeErdwärme kann einen Großteil dieses Bedarfs decken und kann mit Erdwärmesonden praktisch überall gewonnen werdenJedoch stammen weniger als 1 % der deutschen Primärenergieaus Erdwärme..... wirtschaftliche Stromerzeugung erfordert Schaffung künstlicher

Dampflagerstätten – die Technologie hierzu wird bereits erprobtStärkere Erdwärmenutzung erfordert u. a. eine verbesserte,

kostenoptimierte Auslegung von Anlagen sowie die verstärkteWechselwirkung zwischen Geophysik, Bauphysik Gebäudetechnik und Bauplanung.

Das Geothermiezentrum der FH Bochum kann hierfür eine wertvolle Schnittstellen sein. Hierzu viel Erfolg und Glück auf!